【正文】 測云儀器如甚高分辨率輻射計(AVHRR)、多光譜掃描儀(LANDSATMSS)、中分辨率成像光譜儀(MODIS)等[6]。研究表明，衛(wèi)星云圖更適合揭示大范圍地區(qū)的云氣候特征，其代表地域廣泛。但對低云和區(qū)域性云信息的描述可能不太理想[7] 。因此，地基遙感測云儀器的研究一直受到關(guān)注。地基遙感測云儀器根據(jù)測量技術(shù)主要分為以下幾種：（1） 微波氣象雷達(dá)和遙感輻射測量這是兩種比較傳統(tǒng)的方法，可以做到云層的監(jiān)測，但存在體積大、質(zhì)量大、能耗高、成本高和靈敏度不夠等缺點[8]。（2） 基于可見光或近紅外的測量可見光波段測云法直接采用照相機對天空進(jìn)行拍攝。Bradbury等人[9] 曾利用模擬式相機研究了云的觀測問題，指出利用這樣的系統(tǒng)可以確定云底高度和云底的運動，并用于對衛(wèi)星反演的云參數(shù)進(jìn)行驗證；十幾年前，歐洲的Gardiner等采用魚眼照相機拍攝照片來測量云量[10] ；美國Yankee環(huán)境系統(tǒng)公司(YES)研制出了總天空成像儀TSI[11]，其前身是半球天空成像儀HIS(hemispheric sky imager)。它將CCD相機安裝在頂部，向下對準(zhǔn)底部有加熱裝置的曲面鏡進(jìn)行全天空鏡像拍攝。新一代TSl880型采集的圖像是分辨率為352288的24位JPEG彩圖，采樣最短間隔10 S，工作溫度為30176。C至44176。C。TSI給出白天半球天空的連續(xù)圖像(視張角為160176。)，當(dāng)太陽高度角大于10176。時可以反演出天空云的分布。位于西班牙南部城市格拉納達(dá)的大氣物理研究中心研制出全天空成像儀ASI(all sky imager)[12]，該儀器采用的是全彩色CCD相機，外加魚眼透鏡，能獲取視張角為的全天空圖像。國內(nèi)方面，霍娟等研究開發(fā)了地基全天空可見光成像觀測系統(tǒng)[13]。以上方法主要是對云量進(jìn)行定量測量，并且可以同時實現(xiàn)對云層的定位，但是只能獲得白天或明夜的云層信息。（3） 激光雷達(dá)探測如王宏波等人利用改進(jìn)的Klett反演算法對所測雷達(dá)回波信號反演獲得大氣消光系數(shù)分布，進(jìn)一步求出云層高度、厚度及光學(xué)厚度，研究了云底高度和云層厚度在不同天氣下的變化情況[14]；陳臻懿等人[15]采用改進(jìn)后的微分法，著重分析了出現(xiàn)多個峰值信號時，如何有效判斷單層云和多層云，得出了云底、云頂、云峰和云層光學(xué)厚度等重要信息。以上研究主要是對云高和云層厚度的研究，不能實現(xiàn)云層分布定位的測量。（4） 雙（多）波段測云雙（多）波段測云法通過測量兩個或多個窄波段輻射值的方法來確定天空是否有云，從而確定云量。美國加利福尼亞大學(xué)研制成功了一種全天空成像儀WSI[16]。其光學(xué)部分采用512512分辨率的16位高質(zhì)量的溫控CCD相機，加裝魚眼鏡頭得到全天空圖像（視張角為180176。）。另外還包括光譜過濾器、帶加熱設(shè)備的磨砂玻璃罩等裝置。早期的全天空成像儀工作在中心波長為450 nm和650 nm的兩個波段，分別是70 nm寬，后來增加了中心波長在800 m的波段。WSI根據(jù)太陽和月亮的位置、地月距離、以及照條件（陽光、月光和星光）等天空條件采用相應(yīng)的中性濾光片獲取圖像。在進(jìn)行云識別時，白天和夜間采用了不同的算法，白天依靠可見光波段獲取圖像的紅藍(lán)對比閾值確定有云點。夜間則將測得的星場圖像與計算的星象圖作比較，確定哪些已知的明亮的星星被云遮蓋，從而識別云。由于其采用的光學(xué)部件較為昂貴，工程設(shè)計又非常復(fù)雜，所以價格較高。（5） 紅外測云利用大氣紅外輻射進(jìn)行云層測量是地基云層遙感的發(fā)展趨勢，如紅外云分析儀( ICA)[17]和紅外云成像儀[18]的應(yīng)用。國內(nèi)類似的技術(shù)方案有孫學(xué)金等人提出的基于非制冷紅外焦平面陣列的全天空紅外測云系統(tǒng)[19]。此系統(tǒng)由5個單元模塊構(gòu)成，采用旋轉(zhuǎn)掃描的機械伺服單元，用非制冷紅外焦平面陣列(UIRFPA) 和掃描方式實現(xiàn)天空區(qū)域全天空紅外測云。此系統(tǒng)通過拼圖、溫度定標(biāo)、大氣修正、云識別等數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)全天候云層輻射測量，輻射定標(biāo)處理以及云類型識別。此后，王昊京等人針對其機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種大視場全天候云層分布定位光電測量系統(tǒng)[20]，采用了由扁橢球反射鏡和成像透鏡組成的光學(xué)子系統(tǒng)，增大了視角，簡化了機械結(jié)構(gòu)，并提出了云層空間分布定位的標(biāo)定方法，實現(xiàn)了大視場的云層分布定位。國外類似的技術(shù)方案是SLR2000激光測距系統(tǒng)。它是一個無人值守的自動觀測網(wǎng)，其每個觀測站都配備了全天時云量監(jiān)視系統(tǒng)。此監(jiān)視系統(tǒng)使用線陣長波紅外探測器采集尺寸為120120像素的圖像，采用串口傳輸圖像數(shù)據(jù)；監(jiān)測設(shè)備有4條機械支架，有較大面積的成像遮攔；另外云圖只包含3種成分（晴朗、霾、云），可以給出天空輻射圖[21]。紅外測云技術(shù)不受時間的限制，可以獲得白天和夜間全天的天空云層圖像，是地基云層遙感的發(fā)展趨勢。隨著機械結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)、含有橢球反射鏡的新的光學(xué)系統(tǒng)的出現(xiàn)和紅外傳感器分辨率的提高，紅外測云技術(shù)已經(jīng)越來越完善。 本文主要研究內(nèi)容本文所研究設(shè)計的天空云層監(jiān)測裝置，包括機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分，其中機械系統(tǒng)是設(shè)計的主要部分。機械系統(tǒng)主要是設(shè)計一個二雙軸自由度的機械跟蹤模塊、成像模塊和鏡頭保護(hù)模塊?？刂葡到y(tǒng)主要以跟蹤算法設(shè)計為主，包括跟蹤算法的計算分析和算法流程圖。天空云層監(jiān)測裝置主要有以下內(nèi)容： 機械系統(tǒng)部分機械系統(tǒng)包括機械跟蹤模塊、成像模塊和鏡頭保護(hù)模塊。機械跟蹤模塊有兩個自由度，即一個水平方向轉(zhuǎn)動自由度——方位角自由度和一個豎直方向轉(zhuǎn)動自由度——高度角自由度。由兩個電機來分別驅(qū)動，調(diào)整相機的方向，使相機的主光軸對準(zhǔn)太陽。成像模塊的作用是能獲取以太陽為中心的云團(tuán)圖像。本課題不同于氣象上的云層監(jiān)測，無需獲得夜間的云層信息，也無需獲得全天空的云層信息，而只需獲得以太陽為中心的云團(tuán)圖像。因此，本文不采用紅外測云技術(shù)，而采用基于可見光的測量技術(shù)，使用一個CCD相機來采集圖像。鏡頭保護(hù)模塊包括遮光裝置和外殼部分。光學(xué)器件若暴露在野外，易受灰塵、雨雪、露、霜的污染，所以需要一個外殼保護(hù)鏡頭和整個裝置，本文設(shè)計了一個滿足要求的鈑金外殼。除此之外，裝置需要對太陽進(jìn)行長時間的監(jiān)測，此時鏡頭長時間暴露在高強度光照下，容易出現(xiàn)損壞，所以還需要設(shè)置一個對太陽的遮光裝置。本文采用濾光片和遮光片進(jìn)行遮光。 控制系統(tǒng)部分控制系統(tǒng)主要包括跟蹤算法的計算分析和算法流程圖。本文采用矢量方法，分別建立太陽的運行軌跡的時角坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系，通過跟蹤控制系統(tǒng)的運動規(guī)律的坐標(biāo)系，對這些坐標(biāo)系的變換來建立跟蹤裝置的運動方程。算法流程圖包括跟蹤主程序流程圖和跟蹤子程序流程圖。本文通過流程圖結(jié)合文字說明對跟蹤系統(tǒng)的控制方案和控制步驟進(jìn)行了詳細(xì)說明。 本文結(jié)構(gòu)本文分為七章：第一章主要闡述了論文選題背景、目的及意義，介紹了超短期功率預(yù)測在光伏發(fā)電中的重要性、天空成像儀對超短期功率預(yù)測的作用和天空云層監(jiān)測裝置的發(fā)展研究現(xiàn)狀。第二章主要介紹了天空云層監(jiān)測裝置的總體方案設(shè)計。第三章主要介紹了機械跟蹤模塊設(shè)計。確定以蝸輪蝸桿傳動的二自由度機械跟蹤機構(gòu)。第四章闡述了自動跟蹤算法，主要內(nèi)容有：確定了跟蹤方式，對視日運動軌跡跟蹤進(jìn)行了詳細(xì)的計算分析，設(shè)計了跟蹤主程序和子程序。第五章主要對成像與鏡頭保護(hù)模塊進(jìn)行了設(shè)計。成像模塊采用CCD相機，鏡頭保護(hù)模包括遮光裝置和外殼部分。第六章是計算說明書，對主要的設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的計算分析。第七章主要對本文設(shè)計的天空云層監(jiān)測裝置進(jìn)行總結(jié)和對該裝置的發(fā)展展望。第二章 總體方案設(shè)計 設(shè)計需求分析設(shè)計指標(biāo)和參數(shù)要求：（1） 時間分辨率T：即相鄰兩次觀測的最小時間間隔。時間分辨率是超短期功率預(yù)測的重要參數(shù)，本裝置需要較高的時間分辨率，取T=30s。（2） 跟蹤精度：即機械結(jié)構(gòu)的定位精度，由電機和機械結(jié)構(gòu)的傳動精度決定。本裝置采集到的圖像要為云軌跡算法提供原始數(shù)據(jù)，有較高的精度要求，取跟蹤精度。 （3） 成像模塊的視場角：即以光學(xué)儀器的鏡頭為頂點，以被測目標(biāo)的物象可通過鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構(gòu)成的夾角。參考標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的視場角，取。（4） 圖像解析度：解析度過高，數(shù)據(jù)的處理速度會過慢；解析度過低，無法得到精確的云團(tuán)信息。參考TSI的圖像解析度，最低要求為352288色彩，24Bit，JPEG格式。（5） 太陽跟蹤角度范圍：太陽跟蹤分為高度角跟蹤和方位角跟蹤，高度角跟蹤范圍為0~90176。，方位角跟蹤范圍為0~180176。（6） 速度響應(yīng)：即機械結(jié)構(gòu)的反應(yīng)時間，與控制系統(tǒng)有關(guān)，主要由步進(jìn)電機的頻率決定，但必須小于時間分辨率T。（7） 供電電壓：外部供電為AC220V，內(nèi)部根據(jù)供電需要采用相應(yīng)的電源適配器。（8） 尺寸與重量：最大尺寸不超過404040(cm)，最大重量不超過15kg。 總體設(shè)計思路根據(jù)自動化機械設(shè)計方法中的模塊化設(shè)計理念，將整機按功能用途分模塊進(jìn)行模塊化設(shè)計，即分為機械跟蹤模塊、成像模塊、鏡頭保護(hù)模塊和控制模塊。 整機示意圖 系統(tǒng)工作原理先通過數(shù)據(jù)庫查詢法獲得太陽位置信息的參數(shù)，把參數(shù)輸入控制模塊中的單片機，由單片機控制電機驅(qū)動電路使電機工作。再由電機帶動二軸雙自由度的機械跟蹤模塊旋轉(zhuǎn)與當(dāng)時當(dāng)?shù)氐奶柛叨冉莌和方位角A相對應(yīng)的角度，使成像模塊和遮光模塊對準(zhǔn)太陽，從而自動跟蹤太陽的運動軌跡。實現(xiàn)精確跟蹤定位后，成像模塊應(yīng)用可見光測云技術(shù)對一定范圍內(nèi)的天空圖像進(jìn)行采集，獲得太陽和云團(tuán)的位置信息，然后通過串口或者USB接口將圖像信息傳給計算機。計算機首先通過圖像預(yù)處理模塊對采集到的圖像進(jìn)行去噪和偽彩處理[20]等預(yù)處理，然后通過閾值法[13]進(jìn)行云點識別，得到處理后的圖像。之后，算法程序?qū)μ幚砗蟮膱D像進(jìn)行分析，分別通過定位模型[20]、灰度法[22]、二值法[22]、云體簡化與軌跡模擬[23]得到定位信息Po、厚度信息Th、面積信息S和軌跡信息V。最后，將得到的信息信號輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對光伏發(fā)電功率進(jìn)行超短期功率預(yù)測，得到功率預(yù)測信號，最終實現(xiàn)光伏發(fā)電的超短期功率預(yù)測。 天空云層監(jiān)測裝置的流程框圖第三章 機械跟蹤模塊設(shè)計 機械跟蹤模塊的功能機械跟蹤模塊的功能是自動跟蹤太陽運動軌跡。因為本課題不同于普通的氣象云層監(jiān)測系統(tǒng)，不是只需要取得云層的信息，而是需要同時獲得云層和太陽的定位信息。為了獲得太陽的定位信息，需要跟蹤太陽的運動軌跡。根據(jù)太陽的運動特征，我們需要設(shè)計一個雙軸二自由度的機械跟蹤機構(gòu)。所以這個機械跟蹤機構(gòu)要有兩個自由度，即一個水平方向轉(zhuǎn)動自由度——方位角自由度和一個豎直方向轉(zhuǎn)動自由度——高度角自由度。由兩個電機來分別驅(qū)動，調(diào)整相機的方向，使相機的主光軸對準(zhǔn)太陽。 方案比較本文的機械跟蹤機構(gòu)方案經(jīng)過多次修改，主要有以下四種方案：（1） 方案一：四連桿傳動和電機直接驅(qū)動 機械跟蹤機構(gòu)（方案一）該方案模仿了雷達(dá)的運動機構(gòu)，采用了四連桿進(jìn)行傳動，結(jié)構(gòu)新穎，擁有連桿機構(gòu)的優(yōu)點：連桿機構(gòu)為低副機構(gòu)，運動副為面接觸，壓強小、承載能力大、耐沖擊；運動副元素的幾何形狀為圓柱面，便于加工制造；通過改變各構(gòu)件的相對長度可以使從動件得到不同的運動規(guī)律；連桿曲線可以滿足不同運動軌跡的設(shè)計要求。但是四連桿機構(gòu)也有一些缺點：本文中四連桿主要用于傳動和定位，在定位精度上，四連桿機構(gòu)收到加工精度和安裝精度的影響很大；存在死點等問題。而且此方案的方位角機構(gòu)采用電機直接驅(qū)動，電機軸受到其上部結(jié)構(gòu)因傾覆力所產(chǎn)生的彎矩的影響，會對電機造成損傷并且降低了定位精度。（2） 方案二：蝸輪蝸桿和齒輪傳動 機械跟蹤機構(gòu)（方案二）該方案對方案一進(jìn)行了改進(jìn)，采用了蝸輪蝸桿和齒輪傳動。高度角機構(gòu)采用蝸輪蝸桿傳動，具有傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊和能自鎖等優(yōu)點，并且解決了四連桿在定位精度上的問題。方位角機構(gòu)采用齒輪傳動，齒輪傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠和效率高等優(yōu)點。但是在本裝置中，單級齒輪傳動的傳動比不夠大，無法和高度角機構(gòu)中的蝸輪蝸桿傳動同步（方位角機構(gòu)和高度角機構(gòu)的角速度相等）。（3） 方案三：兩組蝸輪蝸桿傳動 機械跟蹤機構(gòu)（方案三）該方案對方案二進(jìn)行了改進(jìn)，采用了兩組蝸輪蝸桿傳動，解決了方案二中方位角機構(gòu)和高度角機構(gòu)運動不同步的問題。此方案在結(jié)構(gòu)上對以上幾個方案進(jìn)行了細(xì)化，并且采用標(biāo)準(zhǔn)件——外球面軸承，以解決軸承的安裝問題。但是因為本裝置結(jié)構(gòu)過小，最小型號的外球面軸承在結(jié)構(gòu)匹配上還是存在很多問題。（4） 方案四：兩組蝸輪蝸桿傳動 機械跟蹤機構(gòu)（方案四）該方案對以上三種方案進(jìn)行了綜合，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更具體的細(xì)化，最終采用兩組蝸輪蝸桿傳動，并設(shè)計了一種滿足要求的軸承座。綜上所述，采用方案四，由兩組蝸輪蝸桿傳動。 二自由度機械跟蹤機構(gòu)設(shè)計，主要由底座支架、方位角跟蹤機構(gòu)、高度角跟蹤機構(gòu)和相機組成。方位角跟蹤機構(gòu)能實現(xiàn)水平方向的轉(zhuǎn)動自由度，高度角跟蹤機構(gòu)能實現(xiàn)豎直方向的轉(zhuǎn)動自由度。由兩個步進(jìn)電機分別驅(qū)動高度角跟蹤機構(gòu)和方位角跟蹤機構(gòu)，傳動方案均采用蝸輪蝸桿機構(gòu)。蝸輪